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负电荷泵为WLED背光应用提供堪比电感电路的高效率

作者:时间:2012-08-21来源:网络收藏

摘要:设计人员通常采用泵或基于的boost白光LED ()的正向导通偏置电压。泵价格较低且使用方便,但截至目前,这种架构所能的效率低于基于的boost。本笔记介绍的负泵方案能够达到基于的设计方案的效率,并且,由于省去了电感可大大简化系统设计并降低成本。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/167628.htm

概述

白光LED ()具有小外形和高亮度输出,是手机和其它便携设备小尺寸彩色显示屏的理想解决方案。然而,用于单节锂离子(Li+)电池供电的设备往往会遇到一个问题。多数Li+电池的工作电压为3V至4.2V,而WLED的正向电压通常为3.5V至3.8V (电流为20mA时)。因此,Li+电池工作电压范围的低电压侧无法满足WLED偏置电压的要求。

通常采用以下两种方式来产生足够的WLED正向偏置电压:电容式电荷泵和基于电感升压。从效率和电池寿命上考虑,基于电感的电路通常是最佳选择。然而,此类电路需要额外增加昂贵的电感,必须进行仔细的布局和设计,以避免电磁和射频干扰。相比之下,电荷泵方案易于实现且成本低廉,但是它们往往效率较低,因此相应缩短了电池工作时间。

负电荷泵技术低成本、高效解决方案

Maxim的负电荷泵架构具有自适应切换功能,能够达到电感架构的效率(平均效率为85%),并保留了无电感设计所具备的简单、低成本等优势。

这一创新架构采用自适应切换模式,为每个LED提供独立的供电、调光以及电流调节,使LED驱动效率提高12%,在便携产品中能够有效延长电池使用寿命、节省PCB空间。由于能够达到与电感设计同等的转换效率,大大提升了系统的能源利用率。

分数型电荷泵的效率提升

第一代WLED电荷泵方案内核采用基本的倍压拓扑结构(或2倍压模式)。2倍压电荷泵的效率为:

PLED/PIN = VLED × ILED/[(2 × VIN × ILED + IQ × VIN)]

其中IQ为电路的静态工作电流。

由于和WLED负载电流相比IQ往往很小,因此效率可近似估计为:

PLED/PIN ≈ VLED/2VIN

为了提,第二代WLED电荷泵的输出并不始终为输入的整数倍。如果电池电压不够时,将采用1.5倍压电荷泵产生足够高的WLED驱动电压。1.5倍压电荷泵的转换效率为:

PLED/PIN = VLED × ILED/(1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN)

≈ VLED/1.5VIN

可以看出,1.5倍压电荷泵大大提高了效率。对于3.6V电池电压和3.7V的WLED,效率从2倍压电荷泵的51%跃升至1.5倍压电荷泵的69%。

第三代WLED驱动器增加了1倍压模式。该模式下,当电池电压较高时,通过低压差电流调节器直接连接电池至LED。1倍压模式的效率为:

PLED/PIN = VLED × ILED/(VIN × ILED + IQ × VIN)

≈ VLED/VIN

当电池电压高到足以直接驱动WLED时,1倍压模式下的效率可超过90%。例如当电池电压为4V,WLED电压为3.7V时,效率为92%。

提高任意电池电压下的效率

最佳的WLED驱动器设计可针对给定电池电压和LED电压提供最有效的功率传输模式。随着电池(或WLED)电压的变化,设计方案也会相应改变模式。但是,电池电压较高时,开关损耗将会降低效率,而这些损耗往往是不必要的。当电池电压下降时,应该使驱动器尽可能长时间的处于模式。不过,这就要求尽可能降低电源开关的损耗,相应的占用更多的空间,成本也随之升高。

正如上面所描述的,1倍压传输模式的效率最高,但该模式仅适用于电池电压高于WLED正向电压(VF)的情况。在电池电压尽可能低的场合采用1倍压模式的关键往往在于:降低1倍压模式旁路FET和电流调节器的压降。这些压降往往决定了串联损耗以及维持1倍压模式所需的最低输入电压。1倍压模式要求的最低电池电压等于:

VIN(MIN_1X) = VLED + 旁路pFET的RDS(ON) × (ILED + 电流调节器的VDROPOUT)

传统正电荷泵WLED方案采用了pFET旁路开关将电池电压连接至WLED,如图1所示。该FET的RDS(ON)通常为1Ω至2Ω。电阻的进一步降低往往是有限,因为电阻降低往往需要较大的FET,从而增加了功率器件的成本。

图1. 在1倍压模式下,正电荷泵采用内部开关将VIN旁路至WLED阳极。

当VIN不能满足1倍压传输模式的要求时,正电荷泵产生1.5x VIN或2x VIN来驱动WLED阳极。在正电荷泵架构下实现1倍压模式时,必须用一个额外的内部开关将VIN直接连至WLED阳极,从而旁路电荷泵。

当VIN无法驱动WLED时,负电荷泵结构也可以产生-0.5x VIN来驱动WLED阴极。然而,1倍压模式下这种结构并不需要将-0.5x VIN电荷泵输出旁路至地,这是因为电流调节器控制WLED电流使之直接从VIN流向地。因此,负电荷泵结构可扩展1倍压模式,VIN最低可为:

VIN(MIN_1X) = VLED + 电流调节器的VDROPOUT

图2为1倍压模式负电荷泵电流路径。该电路不需要pMOS旁路开关,它直接调节VIN至地之间的WLED电流。如果总ILED为100mA (即,5个WLED × 20mA),则在2Ω的pMOS旁路开关的压降将为200mV。放电时,锂离子电池电压将稳定在3.6V至3.8V (典型值)之间。按照典型锂离子电池放电曲线,1倍压模式下工作电压提高200mV,效率将明显提高。

图2. 当驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独切换,提高了总体效率。

提高任意LED正向电压时的效率

对于传统1倍压/1.5倍压正电荷泵WLED驱动器,WLED阳极接电荷泵输出。如果WLED不匹配,当电压裕量(VIN - VLED)不能够满足最坏情况下的WLED正向电压时,驱动器必须切换到1.5倍压模式。

对于负电荷泵结构,无需因为只有一个WLED的正向电压不满足要求就放弃高效的1倍压模式,如图2所示,模式复用电路为每个WLED单独选择1倍压模式或-0.5倍压模式,从而最大程度提高整体效率。

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